CN115119267A - 一种水下网络公平带宽分配mac协议 - Google Patents

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CN115119267A CN202210725590.9A CN202210725590A CN115119267A CN 115119267 A CN115119267 A CN 115119267A CN 202210725590 A CN202210725590 A CN 202210725590A CN 115119267 A CN115119267 A CN 115119267A
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刘敬科
李天�
陈艳霞
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Abstract

本发明设计了一种适用于水下无线传感器网络的MAC协议，水下网络公平带宽分配MAC协议，该MAC协议设计主要包括下列步骤：建立网络模型：不含移动节点的集群网络模型，由一个主节点和n个成员节点组成，将时间划分为若干个大小相等的时隙；成员节点在RTS阶段向主节点发送传输需求；主节点使用带宽分配机制根据节点的传输需求和数据包的产生时间为节点公平分配带宽，然后根据带宽分配结果调度节点数据包的无冲突传输。

Description

一种水下网络公平带宽分配MAC协议
技术领域
本发明属于水下无线传感器网络通信技术领域，涉及一种水下网络公平带宽分配MAC协议。
背景技术
近年来，水下无线传感器网络的应用日益广泛，因此其已经成为探索和开发海洋的重要方式。水声传感器网络将多个传感器节点通过一定的方式布置在水下环境中，水下节点和陆上基站、海面sink节点形成一个整体，通过声波进行通信。由于声波在水下环境的传播速度远小于无线电在陆地的传播速度，以及水下环境的噪声、能量损失等影响，使得水声网络具有传播延迟长，可用带宽窄，误码率高，能耗高等特点。因此，水下网络MAC协议的设计的难度明显高于地面MAC协议，研究者根据水下无线传感器网络的特殊特性做了许多水下网络MAC协议的研究。根据信道占用方式，MAC协议大致分为基于非竞争的MAC协议和基于竞争的MAC协议。基于非竞争的MAC协议可以分为基于TDMA、FDMA和CDMA的MAC协议。基于竞争的MAC协议与基于非竞争的MAC协议的区别主要在于节点通过竞争来灵活地使用信道资源，又可以分为随机竞争MAC协议和基于握手的MAC协议。现有大多数水声网络MAC协议未充分考虑带宽的合理分配问题。它们一般通过节点竞争的方式或者为节点分配同样大小传输时间的方式来进行信道资源的分配。然而由于水下网络不同于陆地网络，长的传播延迟会引起空间不公平性问题，其他信道竞争的方式同样会导致少数竞争成功的节点获得大量带宽资源，而其他节点可能长期处于饥饿状态，从而引起水声信道的不公平竞争。而为节点固定分配传输时隙的MAC协议，如基于TDMA的协议，不能满足所有节点的传输需求，进而会引起传输带宽的浪费。因此，公平合理的带宽分配不是为每个节点分配相同的传输时间，而是根据节点的传输需求为不同节点分配带宽，使流量负载较大的节点获得更多的传输带宽。这种带宽分配方案致力于减少带宽资源的浪费，防止单个节点长期占用信道，从而提高MAC协议的公平性。为了解决上述水下网络MAC协议的信道共享方式存在的不公平问题以及提高吞吐量，本发明提出了水下网络公平带宽分配MAC协议，使用提出的带宽分配机制来提高公平性，并使用数据包的传输调度来提高吞吐量。为了防止主节点长时间处于接收状态，规定一个数据传输轮中主节点使用的数据时隙个数。在调度阶段，主节点首先使用带宽分配机制根据每个节点的流量负载进行可传输数据包的公平分配，以最大程度地保证信道使用的公平性。然后，主节点根据带宽分配结果调度节点的数据包传输，以获得较高的信道利用率。
发明内容
为了解决已有水下网络MAC协议传输带宽的不合理分配问题以及传统MAC协议吞吐量较低的问题，本发明提供了一种水下网络公平带宽分配MAC协议的设计，当主节点收到多个节点的竞争信息后，它会为根据每个节点的传输需求和数据包的产生时间计算出每个节点可传输的数据包，然后主节点计算每个节点数据包的发送时间，实现节点的无冲突传输，提高网络的性能。技术方案如下：
水下网络公平带宽分配MAC协议的设计，包括下列步骤：
1．建立系统模型：本协议使用不含移动节点的集群网络模型，由一个主节点和n个成员节点组成，成员节点随机分布在主节点的最大通信范围内，成员节点向主节点请求信道资源并向其发送数据。主节点作为所有成员节点共同的接收器，在收集了水下数据后，将数据包通过无线链路传输给陆上数据中心。所有节点轮流广播小控制包，计算成员节点与主节点的传播延迟，实现时间同步。将时间划分为若干个大小相等的时隙，每个控制包只能在时隙的开始进行发送并保证在时隙结束前能够被主节点接收，设置时隙长度
Figure 238369DEST_PATH_IMAGE001
为
Figure 849479DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 406362DEST_PATH_IMAGE003
为网络的最大传播延迟，
Figure 673396DEST_PATH_IMAGE004
为控制包的传输延迟。
RTS阶段:有传输需求的节点在第一时隙的开始向主节点发送RTS包，RTS包发送后，节点将等待接收CTS包。
调度阶段：设置主节点在一个数据传输轮中用来存放接收的数据包的数据时隙数，即主节点可接收的最大数据包个数
Figure 669034DEST_PATH_IMAGE005
，以避免主节点在接下来的数据传输阶段长期处于接收状态。主节点使用带宽分配机制根据节点的传输需求和数据包的产生时间为节点分配带宽，根据传播延迟信息和带宽分配结果来安排节点数据包的无冲突传输。在第二时隙的开始将调度信息添加在CTS包中广播给成员节点。
数据传输阶段：竞争节点接收到CTS包后，根据其中的调度信息传输数据包。
ACK阶段：到达主节点预期完成接收最后一个应被接收的数据包的时间后，在下一时隙的开始广播一个ACK包通知竞争节点数据包的接收情况。
具体实施方案
本发明提供了一种水下网络公平带宽分配MAC协议，当主节点收到多个节点的竞争信息后，它会为根据每个节点的传输需求和数据包的产生时间计算出每个节点可传输的数据包，然后主节点计算每个节点数据包的发送时间，实现节点的无冲突传输，从而提高公平性和吞吐量性能。
提出的水下网络公平带宽分配MAC协议是针对不含移动节点的集群网络模型，主节点作为所有成员节点共同的接收器，在收集了水下数据后，将数据包通过无线链路传输给陆上数据中心。
本发明的具体操作流程如下：
1.建立系统模型并实现网络初始化：网络由一个主节点和n个成员节点组成，成员节点随机分布在主节点的最大通信范围内，成员节点向主节点请求信道资源并向其发送数据。在网络初始化阶段，所有节点轮流广播小控制包（包含时间戳），计算成员节点与主节点的传播延迟，实现时间同步。将时间划分为若干个大小相等的时隙，每个控制包只能在时隙的开始进行发送并保证在时隙结束前能够被主节点接收，设置时隙长度
Figure 72333DEST_PATH_IMAGE006
为
Figure 862435DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 351185DEST_PATH_IMAGE009
为网络的最大传播延迟，
Figure 884934DEST_PATH_IMAGE010
为控制包的传输延迟。
2.一个数据传输轮分为四个阶段，分别是RTS阶段、调度阶段、数据传输阶段和ACK阶段。RTS阶段是一个数据传输轮的第一时隙。有传输需求的节点在第一时隙的开始向主节点发送RTS包。节点发送RTS包后将等待接收CTS包。调度阶段包含两个过程：带宽分配过程和数据包调度过程（在下面介绍）。为了避免主节点在接下来的数据传输阶段长期处于接收状态，本协议设置主节点可接收的最大数据包个数
Figure 142740DEST_PATH_IMAGE005
。主节点根据节点的传输需求和数据包的产生时间为节点公平分配带宽。然后根据传播延迟信息和带宽分配结果来安排节点数据包的无冲突传输。在第二时隙的开始广播包含调度信息的CTS包。数据传输阶段：竞争节点接收到CTS包后，根据其中的调度信息传输数据包。ACK阶段：当到达主节点预期完成接收最后一个应被接收的数据包的时间后，在下一时隙的开始广播一个ACK包通知竞争节点数据包的接收情况。
a. 传输带宽的分配过程：主节点在数据传输轮的第一时隙成功接收到来自m个竞争节点的RTS包后，根据RTS包获得所有竞争节点想要传输的数据包的总个数N。根据
Figure 369322DEST_PATH_IMAGE011
和N的关系，分以下两种情况：
1．当
Figure 345368DEST_PATH_IMAGE012
时，节点的传输需求不能被完全满足，则需要将
Figure 620492DEST_PATH_IMAGE013
个数据时隙进行分配，确定每个竞争节点在后续的数据传输阶段可以传输的数据包。假设节点i的RTS包中想要传输的数据包个数为
Figure 60701DEST_PATH_IMAGE014
，要实现公平分配，那么节点i可传输的数据包个数
Figure 130288DEST_PATH_IMAGE015
通过以下步骤计算。
（1）如果
Figure 655947DEST_PATH_IMAGE017
不是整数，那么取
Figure 469182DEST_PATH_IMAGE018
的整数部分，得到
Figure 763897DEST_PATH_IMAGE019
个数据时隙是一定可以分配给节点i的。如果
Figure 269965DEST_PATH_IMAGE016
为整数，那么
Figure 17341DEST_PATH_IMAGE021
,直接将
Figure 899847DEST_PATH_IMAGE022
个数据时隙分配给节点i即可。根据经验法则，一个节点产生时间较早的数据包应该被较早传输。所以初步分配给节点i的
Figure 986751DEST_PATH_IMAGE023
个可传输的数据包是节点i的
Figure 726037DEST_PATH_IMAGE014
个数据包中产生时间升序排序的前
Figure 898392DEST_PATH_IMAGE024
个数据包。对主节点收到的所有RTS包所属的竞争节点进行和节点i同样的初步带宽分配。
（2）如果存在竞争节点j的
Figure 115747DEST_PATH_IMAGE026
为小数，那么初步分配结束后，
Figure 322738DEST_PATH_IMAGE027
个数据时隙一定还有剩余未分配给竞争节点的，需要对节点可传输的数据包进行二次分配。假设
Figure 232925DEST_PATH_IMAGE005
中还有x个数据时隙未分配，首先找出具有在初次分配中未被分配的数据包的竞争节点，然后找出每个节点剩余数据包中产生时间最早的数据包，对这些数据包的产生时间升序排序，那么序列中的前x个数据包也是可以被传输的。所以这些数据包所属的节点被分配的数据时隙数
Figure 158156DEST_PATH_IMAGE015
为初步分配的时隙数
Figure 116884DEST_PATH_IMAGE028
加一。综上所述，节点i可传输
Figure 975119DEST_PATH_IMAGE029
个数据包为它想传输的
Figure 993890DEST_PATH_IMAGE014
个数据包中产生时间较早的前
Figure 206085DEST_PATH_IMAGE030
个，其他节点的带宽分配方式也与节点i相同。这样既实现带宽的按需分配，又实现了
Figure 968504DEST_PATH_IMAGE032
个数据时隙的充分利用。
2．当
Figure 150087DEST_PATH_IMAGE034
时，节点的传输需求能够被完全满足,节点的想要传输的所有数据包在该轮数据传输中都可被按数据包产生时间从早到晚的顺序传输。
b.数据包的传输调度过程：为节点进行公平带宽分配后，为了通过提高信道利用率，主节点应安排被分配了至少一个数据时隙的节点的数据包的传输，使数据包能够以序列的形式到达主节点。为了尽可能减少数据包到达主节点之间的空闲时间，本文规定节点按传播延迟从小到大的顺序传输数据包。且为了节点的多个数据包的相对公平传输，规定同一节点的多个数据包按产生时间从早到晚的顺序传输。假设主节点在RTS阶段成功接收到来自A、B、C、D四个节点的RTS包，且它们到主节点的传播延迟
Figure 136497DEST_PATH_IMAGE036
，则节点的传输顺序为B,A,C,D。假设该轮数据传输的RTS阶段开始时间为
Figure 770741DEST_PATH_IMAGE038
，那么节点B、A、C、D接收到CTS包的时间
Figure 133589DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 169678DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 326990DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 448530DEST_PATH_IMAGE042
为
Figure 615069DEST_PATH_IMAGE043
（1）
Figure 505665DEST_PATH_IMAGE044
Figure 37140DEST_PATH_IMAGE046
Figure 442714DEST_PATH_IMAGE048
当节点B接收到CTS包后立即发送数据包，则节点B发送第一个数据包的时间
Figure 350627DEST_PATH_IMAGE049
为
Figure 158046DEST_PATH_IMAGE051
。理想情况是当节点B的最后一个数据包被主节点接收后，节点A的第一个数据包刚好到达主节点。但也存在特殊情况，如果节点A收到CTS包后立即发送数据包，节点A 的数据包到达主节点的时间依然晚于节点B的最后一个数据包被主节点接收的时间，此时节点A应在收到CTS包后立即发送数据包。节点C和节点D的数据包到达方式与节点A相同。那么节点A、C、D的第一个数据包的发送时间
Figure 860423DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 753292DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 199317DEST_PATH_IMAGE054
为
Figure 64505DEST_PATH_IMAGE056
Figure 100DEST_PATH_IMAGE058
（2）
Figure 317949DEST_PATH_IMAGE060
其中
Figure 364402DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 84097DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 190593DEST_PATH_IMAGE066
为节点B、A、C可以传输的数据包个数，
Figure 995738DEST_PATH_IMAGE068
为数据包的传输延迟，
Figure 845882DEST_PATH_IMAGE070
为保护时间。
因此得出规律，如果主节点在RTS阶段接收到m个竞争节点的RTS包，它们的传播延迟升序排序的顺序即为它们的传输顺序。传输顺序为k (
Figure 420083DEST_PATH_IMAGE072
)的节点的第一个数据包的传输时间
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为
Figure DEST_PATH_IMAGE075
（3）
Figure DEST_PATH_IMAGE077
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE079
是顺序为k的节点接收CTS包的时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE081
是顺序为k的节点与主节点间的传播延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
是顺序为k的节点可传输的数据包的个数。

Claims (1)

1.水下网络公平带宽分配MAC协议的设计，包括下列步骤：
（1）建立系统模型：本协议使用不含移动节点的集群网络模型，由一个主节点和n个成员节点组成，所有节点轮流广播小控制包，计算成员节点与主节点的传播延迟，实现时间同步;将时间划分为若干个大小相等的时隙，每个控制包只能在时隙的开始进行发送并保证在时隙结束前能够被主节点接收，设置时隙长度
Figure 763032DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 832619DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 358279DEST_PATH_IMAGE006
为网络的最大传播延迟，
Figure 171514DEST_PATH_IMAGE008
为控制包的传输延迟;
（2）RTS阶段:有传输需求的节点在第一时隙的开始向主节点发送RTS包，RTS包发送后，节点将等待接收CTS包;
（3）调度阶段：设置主节点在一个数据传输轮中用来存放接收的数据包的数据时隙数，即主节点可接收的最大数据包个数
Figure 341595DEST_PATH_IMAGE010
以避免主节点在接下来的数据传输阶段长期处于接收状态;主节点使用带宽分配机制根据节点的传输需求和数据包的产生时间为节点分配带宽，根据传播延迟信息和带宽分配结果来安排节点数据包的无冲突传输;在第二时隙的开始将调度信息添加在CTS包中广播给成员节点;
（4）数据传输阶段：竞争节点接收到CTS包后，根据其中的调度信息传输数据包;
（5）ACK阶段：到达主节点预期完成接收最后一个应被接收的数据包的时间后，在下一时隙的开始广播一个ACK包通知竞争节点数据包的接收情况。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115278771A (zh) * 2022-09-28 2022-11-01 海南浙江大学研究院 一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法

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